CN116464598A - 一种多自由度筏式波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本申请为一种多自由度筏式波浪能发电装置，属于波浪能发电设备领域，它包括多个浮体和多个发电单元，多个浮体与多个发电单元相间排布，各发电单元连接于两个相邻的浮体之间，发电单元与各浮体之间通过万向节连接；通过设置多个浮体和多个发电单元并且让其之间呈一条线相间布置能够增大其在波浪冲击时与波浪平息后这之间的海洋面的跨度，利用波浪冲击点和波浪平息点之间的冲击增加发电单元的有效位移，进而增加发电量，提高发电效率。

Description

一种多自由度筏式波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及波浪能发电领域，尤其涉及一种多自由度筏式波浪能发电装置。

背景技术

波浪能是海洋中重要的能源之一，是一种易于直接利用的清洁能源，因此，对于波浪能的高效率利用一直是目前行业内不断研究的方向。目前的波浪能发电装置一般可以有振荡水柱式、聚波波浪式和振荡浮体式，其中振荡浮体式因结构简单、安装维护方便、效率高的特点故而受到广泛使用。传统的振荡浮体式有多自由度的振荡和单自由度的振荡，而多自由度的浮体振荡由于捕捉波浪能的效率高、发电效率高的优点被广泛使用。目前的多自由度浮体式发电装置主要是对水平面内前后方向的振荡、左右方向的振荡、以及竖直面内的振荡的捕捉，对于能量的收集受限，因此，限制了其发电效率；另外，目前的多自由浮体式发电装置在波浪的振荡下其有效位移较小，导致有效位移产生电能的效率也一般，因此，如何利用波浪能使其更进一步的增大有效位移而产生较多的电能是目前亟需解决的问题。

发明内容

现有的浮体式波浪能发电装置主要是对水平面内前后、左右和竖直面的振荡，其对波浪能的捕捉自由度有限，故而对于能量的收集受限，另外，目前的多自由度浮体式发电装置在波浪的振荡下其有效位移较小，导致有效位移产生电能的效率也一般，因此，如何使得浮体更进一步的增大有效位移使得产生较多的电能是本申请解决的问题，本申请设计一种多自由度筏式波浪能发电装置，其具体采用的技术方案为：

一种多自由度筏式波浪能发电装置，包括多个浮体和多个发电单元，多个浮体与多个发电单元相间排布，各发电单元连接于两个相邻的浮体之间，发电单元与各浮体之间通过万向节连接。

优选的，发电单元包括壳体、转换机构和发电机组，发电机组设置于壳体内，壳体与其中一个浮体通过万向节连接，转换机构与壳体活动连接同时与另外一个浮体通过万向节连接。

优选的，转换机构包括螺纹套筒、螺杆和齿轮组，螺杆转动设置于壳体内，螺杆通过齿轮组与发电机组连接，螺纹套筒一端与浮体通过万向节连接，另一端伸入壳体内与螺杆螺纹连接。

优选的，浮体上还转动设有浮摆，发电单元通过万向节连接于浮体与浮摆之间。

优选的，浮摆设置两个，两个浮摆设置于浮体相对的两侧面。

优选的，浮体的底面为向下凸起的弧面，其弧面的圆周边缘延伸至浮体的侧面且与浮体的侧面相切。

优选的，浮体位于弧面的上部设置为正方体形状。

优选的，连接于两个相邻的浮体之间的发电单元设置多个，多个发电单元与浮体连接位置在浮体的侧面均匀布置。

本申请通过上述技术方案具有以下有益效果：

①通过设置多个浮体和多个发电单元并且让其之间呈一条线相间布置能够增大其在波浪冲击时与波浪平息后这之间的海洋面的跨度，利用波浪冲击点和波浪平息点之间的冲击增加发电单元的有效位移，进而增加发电量，提高发电效率。

②通过万向节连接多个浮体与多个发电单元，以及将浮体设置为本申请的形状，可以实现浮体实现横荡、横摇；纵荡、纵摇；垂荡、艏摇等六个自由度的相对运动，并且通过本申请的结构均能捕捉六个自由度的相对运动，提高运动捕捉能力，增加发电量。

附图说明

图1为对浮体的多个自由度标注后的立体图；

图2为本发明的立体图；

图3为发电单元的结构图；

图4为发电单元的内部结构示意图；

图5为发电单元的剖面图。

图中，1、浮体，2、浮摆，3、发电单元，301、壳体，302、螺纹套筒，303、螺杆，304、轴承，305、发电机组，306、齿轮组，4、万向节。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明进行详细阐述。

另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本申请装置在放置于海洋时，首先根据当下海洋所处地理位置获知海洋长时间所处季风风向，将该波浪能发电装置沿波浪能行进的方向放置。

如图1-5所示，一种多自由度筏式波浪能发电装置，包括多个浮体1和多个发电单元3，本申请以浮体1和发电单元3分别设置四个为例，四个浮体1与四个发电单元3沿一字型且相间排布，每个发电单元3连接在两个相邻的浮体1之间，发电单元3与各浮体1之间通过万向节4连接，通过万向连接使得发电单元3与浮体1之间，以及浮体1与浮体1之间能够产生横荡、横摇；纵荡、纵摇；垂荡、艏摇六个自由度的相对运动，增大运动捕捉能力，增加发电量；另外，上述四个浮体1与四个发电单元3呈一字型相间排布增加了发电装置的长度，增加发电装置在波浪行进方向的跨度，使得发电装置能够在波浪发生时同时涉及多个波浪冲击，利用波浪冲击点与波浪平息点增加发电单元3的有效位移，增加发电量。

进一步的，对于上述发电单元3的结构具体的包括壳体301、转换机构和发电机组305。此处的壳体301整体为一个中空的圆柱形杆体结构，靠近杆体的杆身具有一个圆柱形隆起段，该圆柱形隆起段的直径大于杆体的杆身直径，而发电机组305设置在壳体301对应圆柱形隆起段内，该壳体301的杆身的一端与其中一个浮体1通过万向节4连接，而转换机构与壳体301另一端活动连接，此处的活动连接包括沿杆身的轴向相对的抽拉运动和相对的转动，同时转换机构还与另外一个浮体1通过万向节4连接。当波浪来临时，连接壳体301的浮体1与连接转换机构的浮体1大概率不同步运动，两个相邻浮体1之间的不同步运动导致其之间连接的发电单元3会产生有效的位移，具体包括两个相邻浮体1在海平面内的相对平动(包括海洋面内X方向的互相靠近、互相远离以及Y方向的错移、以及Z方向的错移，这里的X、Y、Z方向以附图中指示的方向为例)，以及每个浮体1自身的扭转不同步导致两个相邻浮体1带动发电单元3产生有效位移(浮体1自身转动包括绕X轴的转动、绕Y轴的转动及绕Z轴的转动)，这种有效位移进而由发电机吸收转换为电能。

进一步的，上述转换机构的结构具体的包括螺纹套筒302、螺杆303和齿轮组306。螺杆303的一端伸入壳体301内并延伸至壳体301对应的圆柱形隆起段内，同时螺杆303的非螺纹段与壳体301之间通过轴承304转动连接，螺杆303的另一端伸出壳体301外，齿轮组306包括多个齿轮，其中在靠近螺杆303的伸入壳体301的一端连接有一个齿轮，发电机组305包括发电机及与发电机转轴连接的齿轮，发电机转轴上的齿轮与螺杆303上的齿轮啮合形成齿轮组306，本申请中，发电机设置三个，但不仅限于三个，具体大电机设置的多少与壳体301及圆柱形隆起段的大小有关。螺纹套筒302一端与浮体1通过万向节4连接，另一端伸入壳体301内与螺杆303螺纹连接，此处螺纹套筒302与壳体301之间能够产生轴向的抽拉运动以及相对壳体301的转动，浮体1与浮体1之间在上述六个自由度产生的相对运动均匀可以转换为螺杆303的有效转动，螺杆303转动带动齿轮转动，进而使得发电机发电。

通过本申请将转换机构设置为螺纹螺杆303的机械式结构来捕捉波浪能可以降低动能转换过程中的动力损失，相比液压缸的结构更是结构简单(减少了液压元件的设置)、体积小，同时更是减少了液压缸、气缸等伸缩缸结构的运动介质的发热以及发热后粘性改变导致的效率低的问题，另外也可以避免由于运动介质的泄漏造成对改样环境的污染以及动力转换的损失问题。同时，本申请将转换单元与发电机组305形成整个发电单元3整体式的连接在两个浮体1之间不仅使得结构紧凑，而且在每一个发电单元3损坏时可以单独进行更换，更换灵活。

进一步的，为了浮体1在海洋平面内最大程度捕捉波浪能(即浮体1的自由度)与其在海洋内的稳定性之间平衡，在浮体1上通过销轴转动设有浮摆2，浮摆2在浮体1上的安装可以为竖直式或水平式，优选竖直式，在波浪冲击时，不仅仅是浮体1与发电单元3产生相对运动，浮摆2还会产生摆动，为了有效捕捉浮摆2的摆动动能，上述发电单元3通过万向节4万向连接在浮体1与浮摆2之间，此处的发电单元3的结构与两个浮体1之间的发电单元3结构相同，不同的是，此处的发电单元3可能根据浮摆2的大小设置为不同的大小。本申请的发电装置在波浪能的冲击下不仅是浮体1与浮体1之间、浮体1与发电单元3之间产生相对运动，而且浮体1与浮摆2之间也会产生相对运动，而浮摆2在摆动时不仅会使得发电单元3发电，而且浮摆2的存在对于浮体1的纵荡和艏摇具有阻碍作用，而阻碍作用导致的浮摆2连接的发电单元3发电又会弥补浮体1运动不足导致的发电损失，浮体1与浮摆2互相制约、但发电上又互相弥补，在不降低对波浪能捕捉的前提下有利于浮体1在海洋面内的稳定性。

进一步的，为了保证浮体1受力平衡，上述浮摆2设置两个，两个浮摆2设置于浮体1相对的前后两侧面，更进一步的保证浮体1的稳定性，尤其是在极端天气下，进一步保证浮体1不至于发生侧翻；另外，浮摆2的存在在浮体1前后两侧流速相差较大或者方向不一致时，增加浮体1在艏摇自由度上的旋转位移，提高浮体1对波浪的收集能力；在浮体1前后两侧流速相近时，增加浮体1在纵荡方向上的位移。

进一步的，本申请中上述浮体1的底面设置为向下凸起的弧面，其弧面的圆周边缘延伸至浮体1的侧面且与浮体1的侧面相切，底部设置为弧面结构可以在波浪来临时，浮体1在纵向上的阻力较小，浮体1更容易在横向方向上发生纵摇，增大摇动幅度，增大螺纹套筒302轴向移动，进而增加螺杆303的旋转圈数，提高发电量。

进一步的，上述浮体1底面为弧面的基础上，该浮体1位于弧面的上部设置为正方体形状，正方体的形状受力相较于弧面大，因而在面对波浪时其产生的位移大，故而有利于增加发电量。

进一步的，上述连接于两个相邻的浮体1之间的发电单元3设置多个，本申请中设置为四个，四个发电单元3与浮体1连接位置在浮体1的侧面均匀布置。之所以在每个浮体1之间设置四个发电单元3是为了在两个相邻浮体1在纵向方向上产生横摇时，尤其是横摇方向相反时也能产生螺纹套筒302与螺杆303在轴向上的位移，这种位移是有效的，所谓有效是该位移能够促使螺杆303转动产生电能；另外，设置四个发电单元3也能够一定程度上提高发电量。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种多自由度筏式波浪能发电装置，其特征在于，

包括多个浮体和多个发电单元，多个所述浮体与多个所述发电单元相间排布，各所述发电单元连接于两个相邻的所述浮体之间，所述发电单元与各所述浮体之间通过万向节连接。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度筏式波浪能发电装置，其特征在于，所述发电单元包括壳体、转换机构和发电机组，所述发电机组设置于所述壳体内，所述壳体与其中一个所述浮体通过所述万向节连接，所述转换机构与所述壳体活动连接同时与另外一个所述浮体通过所述万向节连接。

3.根据权利要求2所述的一种多自由度筏式波浪能发电装置，其特征在于，所述转换机构包括螺纹套筒、螺杆和齿轮组，所述螺杆转动设置于所述壳体内，所述螺杆通过所述齿轮组与所述发电机组连接，所述螺纹套筒一端与所述浮体通过所述万向节连接，另一端伸入所述壳体内与所述螺杆螺纹连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种多自由度筏式波浪能发电装置，其特征在于，所述浮体上还转动设有浮摆，所述发电单元通过所述万向节连接于所述浮体与所述浮摆之间。

5.根据权利要求4所述的一种多自由度筏式波浪能发电装置，其特征在于，所述浮摆设置两个，两个所述浮摆设置于所述浮体相对的两侧面。

6.根据权利要求1所述的一种多自由度筏式波浪能发电装置，其特征在于，所述浮体的底面为向下凸起的弧面，其弧面的圆周边缘延伸至所述浮体的侧面且与所述浮体的侧面相切。

7.根据权利要求6所述的一种多自由度筏式波浪能发电装置，其特征在于，所述浮体位于弧面的上部设置为正方体形状。

8.根据权利要求1或6或7所述的一种多自由度筏式波浪能发电装置，其特征在于，连接于两个相邻的所述浮体之间的所述发电单元设置多个，多个所述发电单元与所述浮体连接位置在所述浮体的侧面均匀布置。